[发明专利]一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器

说明书

技术领域

本发明属于射频通信及微机电系统(MEMS)中的元器件技术领域，特别是涉及一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器。

背景技术

随着电子设备对高性能、微小型化的进一步要求，电子元器件都在向高性能、低成本、低功耗的方向发展。高Q值、小型化的谐振器成为未来电子通信系统片上化和小型化的瓶颈。MEMS压电谐振器是一种使用MEMS技术制作的基于机械振动的高性能RF压电谐振器器件，输入的电信号通过机电耦合转化为机械振动，滤波功能在机械域完成，之后再将机械信号转化为电信号输出，因而具有非常好的频率选择特性。这种MEMS谐振器的谐振块大多采用半导体材料制造，谐振器的输入能量转换结构、输出能量转换结构都与振动块直接相连，等效电路模型计算公式如下式所示，等效的动态阻抗R引起插入损耗，动态阻抗R值越大将引起更大的插入损耗：

R=nπhEρQd312Ep2w]]>

其中，R为动态阻抗，Q为品质因素，n为模态阶数，h为谐振块厚度，w为谐振块宽度，ρ为谐振块材料密度，d₃₁为压电薄膜换能系数，E_p为压电薄膜杨氏模量，E为单晶硅杨氏模量；从上式可以看到动态电阻R随着谐振块宽度w的增加而减小，从而有利于降低谐振器的插入损耗。

目前，常规MEMS压电谐振器采用单边电极的输入输出换能器结构，其结构如图1所示，包括绝缘基底、设置于基底上的支撑台、谐振块、用于连接谐振块与支撑台的支撑梁，所述谐振上设置压电薄膜，压电薄膜上设置输入、输出单电极，输入、输出单电极通过位于支撑梁上的金属走线与位于支撑台上的外部互连金属区连接导通，金属走线与支撑梁、外部互连金属区与支撑台以及支撑台与绝缘基底之间均设置有二氧化硅绝缘层。实际工作中，为了进一步减小MEMS压电谐振器的插入损耗，常采用增加谐振块宽度的设计，但当谐振块宽度增加过大时，会引入交变力分布不均匀的问题，使得谐振体横向上存在应力梯度，从而导致谐振器的品质因数Q值明显降低，不利于减小MEMS压电谐振器的插入损耗。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的不足提供一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，该MEMS压电谐振器采用叉指形状电极输入输出换能器结构，在实际工作中，能够保证谐振器谐振块宽度w增加时，进一步提高品质因数。

为实现上述目的，本发明采用的技术为：

一种具有低插入损耗的MEMS压电谐振器，包括基底、设置于基底上的支撑台、谐振块、用于连接谐振块与支撑台的支撑梁，所述谐振块上设置压电薄膜，压电薄膜上设置输入、输出换能电极，输入、输出换能电极通过位于支撑梁上的金属走线与位于支撑台上的外部互连金属区连接导通，其特征在于，所述输入、输出换能电极呈叉指形状分布。

进一步的，所述谐振块采用单晶硅材料，呈长方形，工作在1阶侧向振动模态。

所述基底与支撑台之间、支撑台与外部互连金属区之间以及支撑梁与金属走线之间都设置有二氧化硅绝缘层。

需要说明的是：本发明采用叉指形状分布的输入、输出电极，输入、输出电极与其下方的压电薄膜层及单晶硅谐振块共同构成叉指形状输入、输出换能器结构；在谐振块宽度增大时，其指条数越多，其应力分布越均匀。

从工作原理上说明：本发明提供谐振器工作在一阶侧向模态，谐振频率f由单晶硅谐振块的长度L、杨氏模量E和材料密度ρ决定，因此谐振频率f与长度L、杨氏模量E和材料密度ρ的关系式为：